涉及基于频率分析监视的化学机械抛光处理.pdf

本发明提供一种监视化学机械抛光处理的方法，包含以下步骤：自化学机械抛光处理接收实时数据信号，其中所述实时数据信号与摩擦力、力矩、马达电流有关；将该数据信号转换成一不同频率的信号的功率频谱，其中各频率总和等于该原始数据信号；识别并监视该功率频谱的对应于所述化学机械抛光处理的信号成分；检测该信号成分的振幅或频率的变化；及改变所述化学机械抛光处理以响应所检测的变化。本发明也提供一种完成上述方法的装置。

1.  一种监视化学机械抛光处理的方法，包括：
(a)接收来自化学机械抛光处理的一实时数据信号，其中所述实时数据信号与摩擦力、力矩、马达电流有关；
(b)将所述实时数据信号提交给一演算，该演算将所述实时数据信号分解成不同频率的信号的功率频谱，所述功率频谱的总合仍等于所述实时数据信号；
(c)识别该功率频谱的至少一对应于所述化学机械抛光处理的一个方面的信号成分；
(d)监视所述功率频谱的所述至少一信号成分在化学机械抛光处理期间所述信号成分的振幅和/或频率的变化；
(e)检测所述至少一信号成分的振幅和/或频率的变化；以及
(f)响应所检测的变化改变化学机械抛光处理。

2.  如权利要求1所述的方法，其中所述演算为快速付立叶转换。

3.  如权利要求1所述的方法，其中所述演算为子波分析。

4.  如权利要求1所述的方法，其中所述化学机械抛光处理包括将抛光剂加入到与所要抛光的基板接触且能够相对移动的抛光垫。

5.  如权利要求4所述的方法，其中所述基板为一半导体基板。

6.  如权利要求4所述的方法，其中所述基板为一刚性存储盘。

7.  如权利要求4所述的方法，其中所述基板为一磁头。

8.  如权利要求4所述的方法，其中所述检测出的至少一信号成分的振幅或频率的变化表示出抛光的进程。

9.  如权利要求4所述的方法，其中所述检测出的至少一信号成分的振幅或频率变化表示出抛光终点。

10.  如权利要求4所述的方法，其中所述检测出的至少一信号成分的振幅或频率变化表示出抛光垫耗损。

11.  如权利要求4所述的方法，其中所述检测出的至少一信号成分的振幅或频率变化表示出抛光过程不希望的震动。

12.  如权利要求4所述的方法，其中所述检测出的至少一信号成分的振幅或频率变化表示出基板中的缺陷。

13.  如权利要求4所述的方法，其中所述检测出的至少一信号成分的振幅或频率变化表示出在抛光垫上施加的抛光剂的改变。

14.  一种化学机械抛光基板的装置，所述装置包括：
(a)一化学机械抛光器具，它产生一实时数据信号，其中所述实时数据信号与摩擦力、力矩、马达电流有关；
(b)一传感器，用于传送所述实时数据信号；
(c)一数据采集单元，用于接收所述实时数据信号；以及
(d)一信号分析单元，用于(i)对所述实时数据信号进行一演算，以产生不同频率的信号成分的一功率频谱，所述功率频谱的总合仍等同于所述实时数据信号，(ii)检测至少一信号成分的振幅或频率变化，及(iii)响应所检测的变化对化学机械抛光处理做改变。

15.  如权利要求14所述的装置，其中所述演算为快速付立叶转换。

16.  如权利要求14所述的装置，其中所述演算为子波分析。

17.  如权利要求14所述的装置，其中所述化学机械抛光器具包括(i)一与所要抛光的基板接触且能够相对移动的抛光垫；及(ii)一导管，将抛光剂加入到所述抛光垫。

18.  如权利要求14所述的装置，其中所述检测出的至少一信号成分的振幅或频率变化表示出抛光的进展。

19.  如权利要求14所述的装置，其中所述检测出的至少一信号成分的振幅或频率变化表示出抛光终点。

20.  如权利要求14所述的装置，其中所述检测出的至少一信号成分的振幅或频率的变化表示出抛光垫耗损。

21.  如权利要求14所述的装置，其中所述检测出的至少一信号成分的振幅或频率的变化表示出抛光过程不希望的震动。

22.  如权利要求14所述的装置，其中所述检测至少一信号成分的振幅或频率变化表示出所述基板上的缺陷。

23.  如权利要求14所述的装置，其中所述检测出的至少一信号成分的振幅和频率变化表示出加入到抛光垫的抛光剂的改变。

涉及基于频率分析监视的化学 机械抛光处理
技术领域
本发明涉及化学机械抛光以及监视抛光处理的方法。
背景技术
化学机械抛光(“CMP”)处理用于微电子元件的制造，以在半导体晶片、场致发射显示器和其它微电子基板上形成平坦的表面。例如：半导体装置的制造一般包含各种处理层的形成，对这些层有选择地去除或者图案化，以及淀积在半导体基板的表面上的额外的处理层，以形成半导体晶片。而处理层示例性地包括如：绝缘层、栅氧化层、导电层和金属或玻璃层等，经过几个处理步骤之后通常希望最上层的处理层为平坦的，以有益于淀积下一层。化学机械抛光处理用于平坦化处理层，为了下一个处理步骤，在该处理层中的淀积的材质如：导体或绝缘材质，被抛光以平坦化所述晶片。
在典型的化学机械抛光处理中，晶片倒置安装在化学机械抛光器具的一个支座上，一个力推动所述支座使得所述晶片朝下接近抛光垫，所述支座及晶片在化学机械抛光器具的抛光平台上的旋转抛光垫上旋转。一般而言在抛光处理时，在旋转的晶片及抛光垫间加入抛光剂。所述抛光剂通常含有一化学物质，反应或溶解部分的晶片最上层，并去除掉所述层的某些部分。而晶片和抛光垫的旋转方向可以同向，也可以反向，以实现特定的抛光处理。所述支座也可在抛光平台上摆动穿越抛光垫。
化学机械抛光处理在晶片上形成平坦表面同时在晶片表面也造成可察觉的划痕或存在多余的材料。因此，在化学机械抛光处理时，晶片平坦化需要精确的控制，且为了得到充分的抛光，并防止抛光过度，如果不是连续地，就要定期地监视晶片。化学机械抛光处理的“抛光终点(endpoint)”指晶片上过剩的材料已去除，但仍希望剩下一些材料。晶片的抛光过度(即过量去除)可能损害晶片表面，使得晶片无法使用；而晶片的抛光不足(即去除不够)则需再进行一次的化学机械抛光处理，既没效率又使费用升高。此外，有时没察觉到抛光不足，使下一阶段的处理更困难，使得晶片无法使用，由于抛光的过度与不足之间的间隔很小，如仅不过几秒钟，因此，希望在现场精确地指示抛光终点。
基板的抛光终点可由以前的相同形式的基板推测得知，不过这样的方法并不精确，因为抛光的状态可能有变动，同样的，自抛光垫和基板支座处移开基板并测量基板厚度的变化的步骤确定基板的抛光终点不仅费时，也会损坏基板，更减低产量。
现今检测现场抛光终点的标准技术包含：光学反射、热检测和基于摩擦的技术。当处理的层数增加时光学反射技术会面临高水平的信号噪音，使得检测抛光终点(endpoint)的准确度降低而得不到抛光终点。而光学反射法也需使晶片离开抛光平台的边缘，因此中断抛光的处理。此外，也可能因此错过抛光终点，并且由也许仅为几秒钟，这依赖于摆动速度和距离，延迟抛光终点的检测。
热像检测涉及遥测感知横跨晶片温度，使用高温测定法、萤光测温法、激光干涉测量法等技术。热检测法因晶片生产速度的变化，抛光剂的变化或抛光垫的更换而遇到热干扰的问题。热检测法也因操作时，在整个操作循环中化学机械抛光器暖机和冷机状态的复杂热变化和支座臂的摆动而产生不利的因素。
基于摩擦技术，通过监视基板表面和抛光垫间摩擦系数的改变来检测抛光终点。例如：金属和绝缘氧化物在抛光垫滑动的摩擦系数就不同。摩擦的程度可由几种方法测出，包括：监视摩擦力、监视化学机械抛光支座或平板马达的功率消耗，或测量支座轴力矩的改变等。当下面的层被暴露而摩擦有显著的改变时，则使用基于摩擦技术将得到令人满意的结果；然而，所述方法也有它的缺点存在。很多情形下，层和层之间交界面的摩擦力改变太小而不足以做为可靠的化学机械抛光处理抛光终点的指示。当两层的材质差异很小时，这尤其是个问题。比如说，当抛光终点达到时，一小的图案系数(也就是说，与整层的面积相比，相对小的下面地图案层)仅导致摩擦力的小的改变，也因此限制了有用的信号。大的干扰信号成份更恶化了所述问题。就算有滤波装置，功率信号可能有着复杂的形状，而掩盖当达到抛光终点时产生的相对简单的改变。
因此就有改良监视抛光处理方法的必要。本发明提供了解决上述问题的方法及装置，本发明的这些和其它优点及附加的发明特征由这里提供的本发明的叙述会很清楚。
发明内容
本发明提供一种监视化学机械抛光处理的方法其中包含：由化学机械抛光处理接收实时数据信号，其中该实时数据信号与摩擦力、力矩、马达电流有关；将该实时数据信号提交给一演算，该演算将所述实时数据信号分解成不同频率的功率频谱；至少识别对应于合化学机械抛光处理的一个形态的功率频率的一信号成分；监视在化学机械抛光处理中功率频谱的信号成分在振幅或频率上的改变；检测信号成分的振幅或频率改变，并且对应于上述的检测改变而变化化学机械抛光处理。本发明也提供一种化学机械抛光基板的装置，其中包括：产生实时数据信号的化学机械抛光器具，其中该实时数据信号与摩擦力、力矩、马达电流有关；用来传送所述实时数据信号的传感器；数据采集单元，用来接收实时数据信号；信号分析单元，用于(i)对所述实时数据信号进行演算，(ii)检测至少一信号成分振幅和频率的改变；及(iii)对应于检测信号的改变对化学机械抛光处理进行改变。
附图说明
图1为频率对振幅的曲线图，该图表明对应于化学机械抛光处理不同信号成分的摩擦力数据信号得到的功率频谱。
图2为频率对振幅的曲线图，该图表明做为抛光时间的函数的化学机械抛光器具震动信号成分振幅改变的摩擦力数据信号得到功率频谱。
图3为频率对振幅的曲线图，该图表明表示抛光剂对平台旋转信号成分振幅影响的摩擦力数据信号得到功率频谱。
图4为频率对振幅的曲线图，该图表明表示抛光剂对化学机械抛光器具震动信号成分频率影响的摩擦力数据信号得到功率频谱。
具体实施方式
本发明提供涉及现场监视化学机械抛光处理(CMP)的方法及装置。本方法涉及从化学机械抛光处理接收实时数据信号并将该数据信号转换为具有不同频率的信号成份的一功率频谱(power spectrum)(例如：振幅及频率的直角座标图)，其总和等于所述实时数据信号。单个的信号成份对应于化学机械抛光处理在原始信号中所体现的不同形态。通过监视在化学机械抛光处理过程中信号成份在振幅和/或频率上的变化，将指示出在化学机械抛光处理中要求改变化学机械抛光处理的重要事件，特别是当至少一个信号的振幅和频率的变化被检测出时，可对应于检测的变化改变化学机械抛光处理以确保正在抛光的基板得到适当的处置。
实时数据信号可以是任何适当的化学机械抛光处理数据信号，例如：化学机械抛光处理过程中测量出的大数据信号，经过分解后可以现场监视表示化学机械抛光处理事件的信号成份。因此，实时数据信号可以为在抛光垫(polishing pad)上的基板支座的摩擦力或支座轴的转矩，或马达上的电流(平板或支座)。
任何适合的演算都可能被用来将所述实时数据信号转换为它的组成信号成份，例如以一功率频谱形式给出。而单个的信号也可以被识别及实时被监视。最好以一数学演算将数据信号转换成为功率频谱中的各种信号成分。在本发明的一个实施例中就用快速的付立叶转换(FFT)作为演算。在另一实施例中，以快速子波变换作为演算，以快速的演算可以将有关化学机械抛光处理中的信息做实时处理。
至少有一信号成分被识别为对应于化学机械抛光处理的一个形态，例如：可以根据与振幅和/或频率有关的支座旋转、平台旋转、器具震动、抛光剂的流动的一个或多个单个信号被识别出来。通过分解数据信号成为不同的部分，所涉及的信号成分可以在不被其他信号，即背景信号干扰的情形下被我们观察及监视。所以，在化学机械抛光处理的过程中，至少有一个单个信号可以被实时监视。
两个或两个以上的信号成分可以串连地被监视。来自两个或两个以上的信号成分的振幅和/或频率信息也可以任何适合的方法结合起来，以更精确地观察到预期的改变。此外，由一种类型的数据信号获得的一个或一个以上的单个信号成份可以结合于从另一种类型的数据信号获得的一个或一个以上的单个信号成份，如此使得更精确地观察到预期的改变。
至少一信号成分的振幅和/或频率改变的检测可以由任何适合的技术所完成，同样的，化学机械抛光处理也可使用任何适当的技术对应于检测的变动做改变。
本发明的方法最好用在半导体基板的抛光处理，然而，本发明也可用在与化学机械抛光结合的任何适合基板，特别是微电子元件。这些微电子元件包含：场致发射元件、刚性存储盘(rigid memory disks)、磁头和其它近似的装置。
本方法可用于检测各种的化学机械抛光形态，例如：检测出来的信号成分振幅或频率上的改变可以对应于或表示抛光处理的一个形态，如：抛光终点、抛光垫的损耗、抛光过程中不必要的震动、基板的缺陷、和/或使用到抛光垫的抛光剂的改变。本发明提供现场监视及诊断有关化学机械抛光处理的各个形态和事件，在较佳实施例中，用于检测抛光终点的方法。
本发明的方法可使用任何适合的化学机械抛光装置完成。本发明提供的化学机械抛光装置包含化学机械抛光器具，至少一传感器，至少一数据采集单元，至少一信号分析单元。
化学机械抛光器具产生实时数据信号。所述化学机械抛光器具可以为任何适合的化学机械抛光器具，如：传统本领域已知的器具。较佳的化学机械抛光器具包含至少一抛光垫，用以接触所要抛光的基板并可相对移动和至少一将抛光剂导入到抛光垫的导管。化学机械抛光装置可以有复合的化学机械抛光器具。
传感器将实时数据信号传送数据采集单元，所述传送实时数据信号的传感器可以为任意合适的装置，其中很多为本领域已知的装置。例如：支座臂上的摩擦力可由一测力器(force gauge)获得并被传输，支座轴的力矩可由一应变计(strain gauge)获得并被传输，平台或支座马达上的电流可由霍耳效应(Hall effect)探测器或机械钳传感器获得并被传输。在化学机械抛光装置中可以有传送相同或不同的实时数据信号的复合的传感器。
数据采集单元接收由传感器端传来的实时数据信号。这些实时数据信号包括摩擦力、力矩(如支座轴的)、马达电流(如平台的或支座马达的)。数据采集单元可以平行地接收这些复合信号，化学机械抛光装置可具备有复合的数据采集单元。
信号分析单元对实时数据信号进行演算以产生(如转换该数据为)不同频率的信号成分功率频谱，它们的和等于所述实时数据信号。信号分析单元用于监视作为时间函数的功率频谱，并检测功率频谱上信号成分在振幅或频率上的任何改变。由信号分析单元检测到代表在化学机械抛光处理中一个形态(如一个事件)的至少一信号成分在振幅或频率上的改变。然后所述信号分析单元以改变化学机械抛光处理的方式对应于对检测出的改变。在化学机械抛光处理中的改变可以用任何一种有效合适的方式来进行。例如：信号分析单元的反应包含送出一信号，通知操作员改变化学机械抛光处理的控制或随后启动一适当的程序，两者都对化学机械抛光处理做出了改变，而化学机械抛光装置可以存在复合的信号分析单元。
在较佳实施例中，化学机械抛光装置包含一可程序化的计算机与化学机械抛光器具通过一总线系统交换信号。所述可程序化的计算机可以为任何适合该任务的计算机，并包含一个人计算机(台式或笔记本型)，一工作站，一网路服务器，或一大型计算机。所述计算机可在任何适当的操作系统下运行，如：Windows^、MS-DOS、OS/2、UNIX或Mac OS等，而总线系统为可操作在合适的总线或网路协定架构下，诸如：Ethernet、RAMBUS、Firewire、token ring、straight bus protocols等。有些实施例会使用串行接口，如：125232、SEGS、GEM等，由本申请的公开，本领域普通技术人员能够根据特别的实施和相应的设计限制如：造价和可利用性，找到适当类型的计算机、总线系统和化学机械抛光器具。
在此对实时数据信号及对其的变换及对化学机械抛光处理中主要影响的对本发明方法的讨论，对本发明的装置来说都是适当的，同样的，在其他方面针对本发明方法的讨论，如：受监视的化学机械抛光处理中合适的基板，可合适地应用在本发明的装置上。
以下的示例进一步说明了本发明，但并不因此限制了本发明的范围。
示例1
本示例表示在化学机械抛光处理中通过转换化学机械抛光处理的实时数据信号成信号成分得到的功率频谱。
传统的台式化学机械抛光装置在基板支座臂上具有一应变计，以测量抛光垫和基板之间的作为时间函数的摩擦力。镍磷化物的基板由一具有标准抛光垫的化学机械抛光器上使用含硅的抛光剂来抛光。化学机械抛光处理的参数如下：下压力9.7kpa(＝1.4磅/平方英寸)，平台速度60rpm，支座速度2rpm，抛光剂流速90ml/min。摩擦力在特定时间函数点的数据信号使用快速付立叶分解成为功率频谱，被绘制在图1中。如图1所示，摩擦力数据信号的功率频谱10显示出有关支座转盘12，平台转盘14，和器具震动16和18等的摩擦力明显的区域。器具震动的成分特别与约5-15Hz 16的频率的“粘滑现象”基板和抛光垫的共振有关并与约40-60Hz 18的频率器具共振有关。图1的所示的频率被应变计的反应时间(约2毫秒)所限制。所以取样率由最快付立叶转换频率为100Hz而被限制在200Hz。
由本示例显示，包含对应于化学机械抛光处理不同形态单个信号成分的复杂实时数据信号可被转换至功率频谱。此外，基于单个信号成分不同的频率和振幅可被单个地识别出来，虽然所述示例包含由摩擦力数据信号导出的功率频谱的结果，所述功率频谱可通过使用任意适当的数据信号而获得。
示例2
所述示例表示在化学机械抛光处理中监视至少一功率频谱的信号成分在作为时间函数的振幅或频率上的改变。
使用与示例1相同的化学机械抛光装置和相同的镍磷化物的基板，但化学机械抛光的参数不同，如下所述：下压力9.0kpa(＝1.3磅/平方英寸)，平台速度60rpm，支座速度0rpm，抛光剂流速90ml/min。使用快速付立叶转换将在两个不同时间函数点的摩擦力的数据信号转换为功率频谱，被绘制在图2中。如图2所示，功率频谱20突显器具震动信号成分的区域与示例1相同，记录10秒后及160秒后的数据。器具震动信号成分开始时有较大的振幅，表示基板和抛光垫之间高度的摩擦力。随着抛光法持续施行，由器具震动信号成分的振幅的减少可以反映出摩擦量减少，所以，器具震动信号成分在160秒后将几乎没有振幅，也就是抛光垫和基板已变的平滑。
由所述示例说明功率频谱上特定的信号成分的振幅和/或频率信号可作为时间的函数被监视，使得表示化学机械抛光处理的事件的变动能够被检测。虽然所述示例仅表示所述器具震动成分的的变化由摩擦力数据信号而来，作为时间函数的任何合适的数据信号的任何信号成份都可被监视。
示例3
所述示例表示功率频谱的振幅和/或频率信号成份在化学机械抛光处理中，对不同的抛光过程很敏感。
使用与示例1相同的化学机械抛光装置和相同的镍磷化物的基板，但不同的三种含硅抛光剂，且化学机械抛光设定不同的参数如下：下压力9.7kpa(＝1.4磅/平方英寸)，平台速度60rpm，支座速度8rpm，抛光剂流速90ml/min。针对不同的三种抛光剂的摩擦力数据信号在相同相关的的时间点以与示例1相同的方法分解为三个对应的功率频谱，被绘制在图3中。如图3所示，功率频谱30突出表现为与示例1中相同的三种不同的抛光剂32、34和35的平台旋转信号成分并表示在化学机械抛光处理中，不同的抛光剂而影响平台旋转信号。三种抛光剂的第一种与其它两种抛光剂相比较，最大地与平台旋转32耦合(即为最高强度)，这表明另两种抛光剂与平台旋转有些不耦合(34和36)。在使用标准大规模的抛光器具(Straughsbaugh 6EE的抛光器具)来监视时，同样在抛光剂的平台旋转信号成分振幅发现相同的差异。此外，用有关器具震动信号成分观察到三种抛光剂之间相似的差异。特别是在使用第一种抛光剂观察到大的器具震动信号成分，而此时第三种抛光剂没显出器具震动信号成分。
所述示例证明在化学机械抛光处理中，不同的抛光条件可以在功率频谱上产生有利于区别和独特的信号成分。虽然本示例涉及摩擦力数据信号在平台旋转信号成分的独特改变，不过，在化学机械抛光处理中任何适当的数据信号的任何信号成分可用于检测抛光条件的改变。
示例4
本示例进一步表示功率频谱的信号成分的振幅和/或频率在化学机械抛光处理中不同的抛光条件下很敏感。
使用与示例1相同的化学机械抛光装置对相同的镍磷化物的基板以与示例1相同的方法进行化学机械抛光，但两种不同含硅的抛光剂，且用于化学机械抛光设定不同的参数如下：下压力10.3kpa(＝1.5磅/平方英寸)，平台速度60rpm，支座速度0rpm，抛光剂流速90ml/min。针对不同的两种抛光剂的摩擦力数据信号在相同相关的时间点使用与示例1相同的方法分解为三个对应的功率频谱，被绘制在图4中。如图4所示，功率频谱40为两种不同的抛光剂42和44突出显示与示例1中相同的器具震动信号成分。功率频谱对两种不同的抛光剂42和44的器具震动信号成分具有特殊频率轮廓，表示两种不同的抛光剂42和44与器具震动的耦合之间的差别。该示例与示例3结合，证明在小的抛光条件的改变可在功率频谱的两个明显区域(平台旋转及器具震动的信号成分)以两个不同的方式(振幅改变和频率改变)被检测出来。串连地监视两个信号成分能够改善识别抛光条件改变的精确性，特别是有关抛光剂的变化。
由本示例表示出，使用本发明的方法，复杂的数据信号可转换成在功率频谱的信号成分，可根据独特的频率特征使得抛光条件的改变被精准的识别。虽然本示例涉及摩擦力数据信号的器具震动信号成分的独特改变，但是，可以使用任何适当的数据信号的任何信号成分，对化学机械抛光处理中的抛光条件的改变进行检测。
这里引用的所有参考资料包括：出版物、专利申请、和专利等被用作相同程度的参考资料，就象每个参考资料被单独和特别地用作参考并在此完全被阐述。
描述本发明内容时(特别是所附的权利要求的部分)，文中字词的使用，如：“一个”、“该”及类似的术语视为包含单数及复数，除非它另有所指或上下文明显矛盾。此处列举的数值范围仅仅为了对落入该范围的每个分别的数值的简略的方法，除非它另有所指，而且在说明书中采用的每个分别的值如同它们被单独地在此被引用。本发明所描述的方法都可以适当的方式实施，除非它另有所指或上下文明显矛盾。此处的任一和所有的示例或示范词(也就是“例如”)的使用仅仅为了更好地阐明本发明，并不因此限定本发明的范围而是以权利要求书为准。此外，说明书中的文字不能被视为实施本发明的本质部分，如表示任何的未被权利要求的部分一样。
本发明的较佳实施例如上所述，也包括完成本发明的最佳已知模式。本领域普通技术人员在看过上述的各实施例后，都会很容易地明白这些优选实施例的变化。发明人希望本领域普通技术人员应了解这些实施例都是恰当的，且发明人想要实践发明并不只作为在此的描述。因此，本发明包含所有揭示在所附的权利要求中的改良及等同的装置应受适当的法律所保护。此外，任何可能包含上述元件组合的所有可能的变化都包含在本发明范围内，除非上下文明显矛盾。